【摘要】：大口徑平面鏡通常是指口徑大于1 m的平面鏡,大口徑平面鏡在光學檢測、空間光學、天文光學等領域已經有了廣泛的應用。為了保證大口徑平面鏡具有良好的質量,必須對其面形進行檢測。然而長期以來,大口徑平面鏡的面形檢測一直是光學領域的一個難題,現有的檢測方法存在著技術不成熟、檢測精度不夠、成本高昂、檢測周期長等問題,不能滿足大口徑平面鏡面形的檢測需求。為了解決這些問題,本論文針對1.5m口徑平面鏡面形的檢測和誤差控制技術進行了研究。設計了檢測系統(tǒng)和檢測方法。提出“單五棱鏡往返差分掃描測量表面傾斜角差值,再結合Zernike多項式偏導數的差分建立方程組直接計算出二維全口徑面形”的方法來檢測1.5m口徑平面鏡的面形。該方法采用單五棱鏡差分掃描來測量表面傾斜角的差值,可以消除所有傾斜誤差的一階影響、五棱鏡制造角差的影響和大部分環(huán)境的影響,具有很強的誤差抑制能力。該方法采用往返掃描、逐步推進的掃描方式,對兩個配對點的測量在時間上緊鄰著,不再按照測量點的排列順序依次測量,減小了環(huán)境變化的影響。在算法上,該方法利用表面傾斜角的差值,再結合Zernike多項式偏導數的差分建立方程組直接計算出二維全口徑面形,避免了傅里葉變換算法的繁瑣,以及遞推算法和拼接算法的誤差累積。另外,該方法還對五棱鏡在掃描過程中的傾斜變化量進行了自動監(jiān)視和調整,減小了五棱鏡的傾斜誤差。本文還分析了各個檢測參數的選擇原則,特別是兩個配對點的距離d的選擇原則,指出了d的選擇需要兼顧環(huán)境影響的抑制和相對誤差的抑制;設計了針對1.5m口徑平面鏡的4套不同頻率級別的檢測參數,分別對應不同的頻率檢測需求,選擇了最高頻率級別的參數來進行檢測,從而能夠更加全面地檢測被測平面鏡的面形信息;最后對檢測方法進行了仿真分析,結果表明,檢測方法的原理誤差僅為2.3nm rms,驗證了檢測方法的正確性。研究了五棱鏡的誤差特性。利用五棱鏡的作用矩陣和坐標轉換公式,研究了五棱鏡的旋轉誤差對出射光方向的影響,得出了重要結論:出射光在主截面內的偏角幾乎不受五棱鏡旋轉誤差的影響,而出射光在垂直于主截面方向的偏角則受五棱鏡旋轉誤差的影響較大。利用五棱鏡的展開和光路計算,研究了五棱鏡的制造角差對出射光方向的影響,得出了重要結論:五棱鏡的制造角差會使出射光在兩個方向上均產生固定的偏角,這兩個偏角都是與入射角無關的常量。采用光線矢量追跡的方法推導出了五棱鏡基本系統(tǒng)的誤差公式,為系統(tǒng)調整和誤差分析打下了基礎。研究了檢測系統(tǒng)的精密調整技術。以導軌的方向和旋轉臂的旋轉平面為基準,設計了粗調整的步驟。分析了精調整的內容、基準和目標,以自準直儀1為基準,研究了精調整的方法,重點研究了精調整過程中的yaw測試和roll測試,設計了精調整的步驟。對檢測系統(tǒng)進行了誤差分析,分析了傾斜誤差、自準直儀1的測量誤差、測量點的位置誤差、五棱鏡的制造角差以及環(huán)境變化帶來的誤差,得到表面傾角差值的總誤差為81.3nrad rms,在此基礎上,采用仿真分析的方法確定了由表面傾角差值的誤差帶來的面形檢測誤差為7.8 nm rms,然后再將其與檢測方法的原理誤差進行合成,得到最終的面形檢測精度為8.1 nm rms。采用該檢測系統(tǒng)對1.5 m口徑平面鏡的面形進行了檢測,共檢測了5次,計算得到平均標準偏差為4.3 nm,可見檢測重復性較好。將檢測結果與Ritchey-Common法的檢測結果進行了對比,得到兩種方法的面形結果的差值為7.6 nm rms,小于本文的檢測系統(tǒng)的面形檢測精度,證明了本文的檢測方法和檢測系統(tǒng)的正確性。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH74
【圖文】：

圖 1.2 4m 口徑 LAMOST 光譜望遠鏡Figure 1.2 4m aperture LAMOST Spectral telescope系統(tǒng)對大口徑平面鏡的需求鏡通常是指口徑大于 1 m 的平面鏡。隨著大口徑平面鏡的使用也越來越多，主要包括以下幾個證大口徑光學系統(tǒng)具有良好的成像質量，需要波像差的檢測，而自準直干涉法必須要用到大光路如圖1.3所示，干涉儀發(fā)出的測量光束經過來，再反向經過被測光學系統(tǒng)，最后與干涉儀內，干涉儀自動對干涉圖進行處理后即可測出波被測光學系統(tǒng)的口徑，以保證對被測光學系統(tǒng)自準直干涉法測試大口徑光學經緯儀的波像差

圖 1.5 極大望遠鏡（VLT）的結構簡圖Figure 1.5 The structure schematic picture of VLT圖 1.6 地基 30m 口徑望遠鏡(TMT)的結構簡圖

圖 1.6 地基 30m 口徑望遠鏡(TMT)的結構簡圖Figure 1.6 The structure schematic picture of TMT（3）在大口徑光學系統(tǒng)中，常常將大口徑平面鏡作為子鏡，用來拼接組成大口徑的反射鏡。中國國家天文臺興隆觀測站的 LAMOST 光譜望遠鏡[33-36]有效口徑為 4m，如圖 1.2 所示。LAMOST 的施密特改正鏡由 24 塊對角線長

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本文編號：2781827